DE4307526C2 - Energieumformer zur wahlweisen Umformung von Wärmeenergie in mechanische Energie oder umgekehrt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Energieumformer zur wahlweisen Umformung von Wärmeenergie in mechanische Energie oder umgekehrt mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß sich mit Hilfe von einem Prozeßgas, das in einem reversiblen Arbeitsprozeß (Carnotscher Kreisprozeß und ähnliche) geführt wird, entweder aus Wärme mechanische Energie oder umgekehrt aus mechanischer Energie Wärme, erzeugen läßt. Ebenso sind elektrische Maschinen bekannt, die entweder aus mechanischer Energie elektrische Energie oder umgekehrt aus elektrischer Energie mechanische Energie erzeugen.

Eine derartige Maschine ist beispielsweise in der DE-OS 25 39 ­ 878 beschrieben. Bei dieser Kolbenmaschine arbeiten zwei in Kammern geführte Kolben auf eine Kurbelwelle, wobei das Entspan­ nungs- bzw. Verdichtungsverhältnis durch zwei steuerbare Ventile für einen einzigen bestimmten Arbeitspunkt festgelegt wird. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt mechanisch über zwei auf der Kurbelwelle angeordnete Nocken.

Des weiteren ist aus der WO 91/05948 eine als magnetolelektri­ sche Resonanzmaschine bezeichnete thermodynamische Maschine bekannt, bei der ein mechanisches Resonanzsystem einer Kolbenma­ schine mit einem elektrischen Resonanzsystem der gleichen Reso­ nanzfrequenz gekoppelt ist. Die Steuerung dieser Maschine über­ nimmt ein elektronischer Rechner, der insbesondere die Resonanz­ frequenzen des mechanischen und elektrischen Systems aufeinander abstimmt.

Die wahlweise Nutzung derartiger Maschinen auch als Stromerzeu­ ger scheitert an der aufwendigen, und nicht ohne mechanische Veränderung möglichen, Anpassung der Steuerung des Kreisprozes­ ses an die veränderten Parameter. Zur Lösung des Problems mög­ lich ist eine Kombination eines bekannten Stirling-Motors (K-H. Küttner, Kolbenmaschinen, 5. Auflage, Seite 376 ff., B. G. Teub­ ner, Stuttgart) mit einem elektrischen Motor/Generator. Der Stirling-Motor hat jedoch Nachteile, die durch die Erfindung vermieden werden: Der mechanische Aufbau ist aufwendig und muß zur Veränderung des Verdichtungs- oder Entspannungs-Verhältnis­ ses mechanisch verändert werden. Er arbeitet also nur im Aus­ legungspunkt optimal. Je mehr die tatsächlichen Verhältnisse vom Auslegungspunkt abweichen, um so geringer wird das Verhältnis der Nutzleistung zur theoretisch möglichen Leistung. Die Abdich­ tung des Prozeßgases zur Umgebung geschieht durch gleitende Dichtungen, die den mechanischen Wirkungsgrad mindern und Schmierprobleme verursachen. Für eine Anwendung zu unterschied­ lichen Arbeitsweisen und geringen Leistungen ist er somit wenig geeignet.

Aus der DE-OS 21 48 842 ist eine Wärmekraftmaschine oder -pumpe bekannt, die hinsichtlich der Arbeitsweise dem carnotschen Kreisprozeß angenähert ist. Ein Umschalten dieser Maschine vom Wärmekraftbetrieb in eine Wärmepumpe oder Kühlmaschine ist je­ doch nicht vorgesehen. Hierzu muss die betreffende Maschine umgebaut werden, wobei eine entsprechende Änderung bzw. ein Hinzufügen oder Weglassen von Ventilen erforderlich sein kann.

Die DE-OS 23 42 103 beschreibt eine regenerative Wärmekraftma­ schine mit einer Leistungsregelung, wobei die Ventilöffnungs­ zeiten der Maschine gesteuert werden. Eine Umschaltung dieser Maschine zur Nutzung als Wärmepumpe oder Kältemaschine ist nicht vorgesehen.

Schließlich beschreibt die DE 39 34 221 A1 einen Heißgasmotor mit einem periodisch schwingenden, koaxialen Doppelarbeitskolben und einem zylindrischen Schwingkolben. Der Heißgasmotor umfasst eine prozeßgesteuerte Öffnung eines Rückschlagventils als Funk­ tion des Gasdruckverhältnisses von Heißgasdruck und Gaskissen­ druck im Sinne einer Prozeßoptimierung auf. Der Betrieb des Motors als Wärmepumpe oder Kältemaschine ist jedoch ebenfalls nicht möglich.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik, insbe­ sondere der DE-OS 25 39 878 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Energieumformer zur wahlweisen Umformung von Wärmeenergie in mechanische Energie oder umgekehrt zu schaffen, bei dem auf einfache Weise die selbsttätige Optimierung des Verdichtungs- bzw. Entspannungsverhältnisses gewährleistet ist. Darüber hinaus soll die Umkehr der Arbeitsweise des Energieum­ formers ohne Veränderungen bzw. Eingriffe in das mechanische System möglich sein.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patent­ anspruchs 1.

Die Erfindung benutzt als Verdichter und Entspanner für das Prozeßgas herkömmliche Kolbenmaschinen.

Das Problem der Anpassung an die unterschiedlichen Anforderungen bei der Umkehrung der Arbeitsweise oder veränderlichen Parame­ tern wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein elektronischer Rechner die Steuerung der Ventile des Umformers in Abhängigkeit von dem Signal eines Positionsgebers zur Erfassung der Kolben­ position und den Signalen mehrerer Temperatursensoren übernimmt. Auch bei großen Veränderungen und schnell wechselnden Bedingun­ gen wird immer für eine optimale Nutzung gesorgt.

Alle mechanischen Elemente des Energieumformers bleiben durch die Ergänzung mit dem elektronischen Rechner für die unter­ schiedlichen Anwendungen unverändert. Der elektronische Rechner wertet die durch die Sensoren ermittelten Informationen über Temperaturen, Kolbenstellung und Drehzahl aus und berechnet daraus die nach dem Verwendungszweck optimalen Steuerimpulse für die Ventile zur Steuerung des Prozeßgases und für die Steuerung der elektrischen Kraftmaschine. So wird ein vielseitig anwend­ bares, in Serie wirtschaftlich herstellbares Aggregat geschaf­ fen.

Der Umformer kann leicht transportabel ausgeführt werden, so daß er wie durch Verbrennungsmotoren angetriebene Stromerzeuger verwendbar ist. Weil keine explosionsartigen Druckerhöhungen auftreten, ist auch ohne aufwendige Schallisolation ein leiser Lauf zur Verwendung in Innenräumen zu erreichen. Dabei ist man nicht auf einen bestimmten Brennstoff angewiesen.

Insbesondere ist auch die Nutzung von Sonnenenergie möglich. Oft wird elektrische Energie, Gas, Treibstoffe oder andere Primär­ energie zu Heizzwecken verwendet. Durch Einsatz des Umformers als Wärmepumpe wird die Energieausbeute erheblich gesteigert. Für nur kurzfristigen Einsatz ist die Investition in bekannte, spezialisierte Aggregate oft nicht wirtschaftlich. Durch die universelle Anwendbarkeit und die Möglichkeit der Nutzung sehr billiger Antriebsenergie wird die Wirtschaftlichkeit beträcht­ lich höher.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zusätz­ lich Drucksensoren verwendet, wodurch dem elektronischen Rechner vollständige Informationen über den Zustand des Arbeitsgases zugeführt wird. Hierdurch kann die Optimierung des Entspannungs- bzw. Verdichtungsverhältnisses weiter verbessert werden. Des weiteren können unzulässig hohe Gasdrücke erkannt und vermieden werden.

Der Positionsgeber ist vorzugsweise als ein mit einer Kurbel­ welle verbundener Drehgeber ausgebildet.

Die Abdichtung des Prozeßgases zur Umgebung kann durch elasti­ sche Dichtelemente erfolgen, wie z. B. durch Faltenbälge oder Wellrohre.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit der Kolbenmaschine ein elektrischer Motor/Generator verbunden. Auf diese Weise kann der Umformer Wärmeenergie in mechanische Ener­ gie und/oder elektrische Energie umwandeln und umgekehrt.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 in der Anlage zeigt den prinzipiellen Aufbau, ohne Rücksicht auf tatsächliche Größenverhältnisse. Es ist nur je ein Entspanner und Verdichter dargestellt. Zur Vergrößerung der Leistung können mehrere zusammengeschaltet werden.

Der Arbeitsprozess wird durch den Rechner (1) ermittelt, sobald ihm die gewünschte Aufgabe, Heizen, Kühlen, Stromerzeugen oder mechanisch Antreiben eingegeben wurde. Die dazu notwendigen elektrischen Verbin­ dungsleitungen sind zur besseren Übersichtlichkeit nur durch das Symbol gekennzeichnet.

Das Prozessgas ist an sich frei wählbar, solange der Rechner entspre­ chend programmiert ist. Wegen seiner chemischen Eigenschaften bietet sich Stickstoff an. Die mit Prozessgas gefühlten Räume sind in Fig. 1 punktiert.

Ein Speicher (2) enthält die zur Zeit nicht benötige Gasmenge. Er wird während des laufenden Prozesses durch kurzzeitige Umstellung der Ventile (3, 4, 5, 6, 7) nach Bedarf entladen oder gefühlt. Die In­ formation hierfür enthält der Rechner (1) durch den Positionsgeber (8), der die Winkelstellung der Kurbelwelle (9) und so auch die Stellung der Kolben (10, 11) und damit das Gasvolumen in der Kolbenmaschine (12) angibt, die Daten der Temperaturfühler (13, 14, 15, 16) und der Druck­ aufnehmer (17, 18, 19, 20, 21).

Im folgenden wird die Funktion als Arbeitsmaschine beschrieben. Es ist leicht zu erkennen, daß durch Vertauschen der Ventile oder der Funktion der Wärmetauscher der umgekehrte Ablauf entsteht. Dies ge­ schieht im Rechner (1).

Im Wärmetauscher (22) wird aus einem wärmeren Medium Wärme auf das Prozessgas übertragen. Gesteuert durch die Öffnungszeit des Ventiles (4) gelangt eine Teilmenge "T" des Prozessgases in den Entspanner (13) und dehnt sich dort aus. Ist die für den Prozess richtige Stellung des Kolbens (10) erreicht, wird das Ventil (5) geöffnet, und das Gas strömt in den Wärmetauscher (23). Dort wird es bis möglichst nahe an die Temperatur des Kühlmediums abgekühlt. Gesteuert durch die Öff­ nungszeit des Ventiles (6) gelangt die Teilmenge "T" in den Verdich­ ter (24). Bei der richtigen Stellung des Kolbens (11) wird das Ventil (7) geöffnet, und das Gas strömt in den Wärmetauscher (22). Der Kreis­ lauf ist geschlossen.

Die Kolben (10, 11) sind durch die elastischen Dichtelemente (25, 26) mit den Zylinderköpfen (27, 28) verbunden, die mit den Bolzen (29, 30, 31, 32) am Kurbelwellengehäuse (33) befestigt sind. Kugelbüchsen (34, 35, 36, 37) bewirken die geradlinige Bewegung der Kolben (10, 11). Die Pleuellager (38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45) und die Pleuelstangen (46, 47, 48, 49) verbinden die Kolben (10, 11) mit der Kurbelwelle (9). Ein Getriebe (50) verbindet die in den Kugellagern (51, 52) im Kurbelwel­ lengehäuse (33) abgestützte Kurbelwelle (9) mit der elektrischen Kraftmaschine (53). Diese wird ebenfalls durch den Rechner (1) entweder als Motor oder als Generator gesteuert und ihre Leistung geregelt. Sie dient zugleich als Schwungmasse zur mechanischen Ener­ giespeicherung.

Unabhängig von der Größe des Entspanners (13), des Verdichters (24), der Leistungsfähigkeit der Wärmetauscher (22) und (23), des Hubvolu­ mens der Kolbenmaschine (12) oder der Leistung der elektrischen Kraftmaschine (24) findet sich immer ein optimal möglicher Arbeits­ prozess, ermittelt durch den Rechner (1). Die optimale Teilmenge "T" wird durch diesen bewirkt.

Durch eine für die Nutzungsdauer ausreichende Fettfühlung aller Wälz­ lager wird Wartungsarbeit auf die Reinigung der Wärmetauscher be­ schränkt.

Die Strömung des Kühl- und des Heiz-Mediums wird durch elektrisch be­ triebene Pumpen (54) und (55) erreicht. Durch eine Drehzahlregelung, die im Rechner (1) integriert ist, werden sie an den Bedarf angepaßt.

Die Ausführung derartiger Pumpen und Wärmetauscher wird als bekannt vorausgesetzt. Auf eine nähere Beschreibung wird daher verzichtet. Elektrisch gesteuerte Ventile, Messensoren, die elektronische, entspre­ chend programmierbare Steuerung und die elektrische Kraftmaschine sind im Handel erhältlich.

Claims (11)

1. Energieumformer zur wahlweisen Umformung von Wärmeenergie in mechanische Energie oder umgekehrt,

• a) mit einer einen Entspanner (130) und einen Verdichter (24) aufweisenden Kolbenmaschine (12),
  • 1. wobei das Verdichtervolumen und das Entspannervolumen über eine erste Leitung mit einem darin angeordneten ersten Wärmetauscher (22) verbunden sind, welcher ein in der Leitung befindliches Arbeitsgas mit einem Wärmeträger koppelt,
  • 2. wobei das Verdichtervolumen und das Entspannervolumen über eine zweite Leitung mit einem darin angeordneten zweiten Wärmetauscher (23) verbunden sind, welcher ein in der Leitung befindliches Arbeitsgas mit einem Kühlmittel koppelt,
  • 3. wobei in der ersten und zweiten Leitung steuerbare Ventile (4, 5, 6, 7) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Kolbenmaschine (12) Positionsgeber (8) zur Erfas­ sung der Kolbenstellung aufweist,
• b) daß in der ersten und zweiten Leitung vor und nach dem ersten und zweiten Wärmetauscher (22, 23) Temperatursenso­ ren (13, 14, 15, 16) und Drucksensoren (18, 19, 20, 21) zur Erfassung der Temperatur und des Drucks des Arbeitsgases vorgesehen sind,
• c) daß die elektrischen Signale des Positionsgebers (8) und der Temperatursensoren (13, 14, 15, 16) einem elektroni­ schen Rechner (1) zugeführt sind,
• d) daß der Rechner (1) in Abhängigkeit von den Signalen des Positionsgebers (8) und der Temperatursensoren (13, 14, 15, 16) die Parameter des optimalen Arbeitsprozesses des Ener­ gieumformers nach einem vorgegebenen Programm ermittelt und die Ventile (4, 5, 6, 7) im Sinne eines optimalen Arbeits­ prozesses ansteuert.

2. Energieumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (1) ein Signal zur Auswahl einer der Betriebsarten KÜHLEN, HEIZEN, STROMERZEUGEN oder MECHANISCH ANTREIBEN zu­ führbar ist, und daß der Rechner (1) nach der Betriebsartwahl den hierfür optimalen Arbeitsprozeß ermittelt.

3. Energieumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in der ersten und zweiten Leitung Drucksensoren (18, 19, 20, 21) zur Erfassung des Drucks des Arbeitsgases an vorbestimmten Positionen in der ersten und zweiten Leitung vorgesehen sind, deren elektrische Signale dem elektronischen Rechner (1) als zusätzliche Informationen für eine Optimierung des Arbeitsprozesses zugeführt sind.

4. Energieumformer nach einem der vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger des ersten Wärmetau­ schers (22) und das Kühlmittel des zweiten Wärmetauschers (23) jeweils durch eine elektrische Pumpe (55, 54) durch die Wärme­ tauscher bewegt wird, wobei der durch die Pumpen (55, 54) bewirkte Durchsatz des Wärmeträgers und des Kühlmittels durch Regelung ihres Antriebsmotors durch den Rechner (1) an eine unterschiedliche Wärmeabgabe dieser Medien angepaßt wird.

5. Energieumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmaschine (12) zwei mittels Pleuelstangen (46, 47, 48, 49) mit einer Kurbelwelle (9) verbundene Kolben (10, 11) aufweist.

6. Energieumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (8) als mit der Kurbelwelle (9) verbundener Drehgeber ausgebildet ist.

7. Energieumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (10, 11) über Wälzlager (34, 35, 36, 37) in Zylin­ derköpfen (27, 28) geführt sind.

8. Energieumformer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (10, 11) über elastische Dichtelemente (25, 26) mit den Zylinderköpfen (27, 28) ver­ bunden sind.

9. Energieumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen Umformung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie oder umgekehrt mit der Kolbenmaschine (12) eine elektrische Kraft­ maschine (53) gekoppelt ist.

10. Energieumformer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kraftmaschine (53) vom Rechner (1) entweder als Motor oder Generator angesteuert wird.

11. Energieumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der elektrischen Kraftmaschine (53) durch den Rechner (1) geregelt wird.